隔離在我們身邊無處不在，無論是個人電子產品、汽車，還是智能電網、工廠自動化......在需確保系統(tǒng)穩(wěn)健可靠運行的場合都需要隔離。隔離如此重要主要是源于人們的生活離不開高電壓，為了更加經濟高效地輸電，高壓輸電成為關鍵，隔離技術則是高壓環(huán)境中守護安全的重中之重。
隔離技術面臨新的挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)的機電繼電器 (EMR) 在高壓開關應用中很常見。EMR使用電磁力來機械地打開和關閉觸點，具有極低的導通電阻，觸點本質上是金屬對金屬的連接。EMR需要在開關速度和可靠性方面權衡取舍。繼電器內部的活動器件是一個限制因素，開關速度通常在5ms到15ms范圍內。隨著時間的推移和使用，EMR可能會出現諸如拱起、顫動和焊接閉合等故障。
光繼電器是對傳統(tǒng) EMR 的改進，不含有動觸點，相比機械繼電器而言具有更長久的可靠性。但有設計注意事項，例如對可實現的功率傳輸的限制以及內部LED的老化。此外，光繼電器需要外部限流電阻器，并且通常使用額外的場效應晶體管 (FET) 來管理LED的開或關狀態(tài)。
在新一代的汽車和工業(yè)系統(tǒng)中，隨著應用需求的不斷提高，光耦隔離器已經難滿足新的隔離挑戰(zhàn)。
如今電動汽車呈現出爆發(fā)式增長，高壓電池組作為電動汽車的一項基本賦能技術，能夠讓牽引逆變器、傳動系和其他電子器件運行，并產生啟動汽車所需的電能。隨著新一代電動汽車從 400V 電池系統(tǒng)過渡到800V 電池系統(tǒng)，需要通過隔離來實現敏感電子元器件與快速瞬變高壓組件（例如電機）之間的安全通信。
與此同時，可再生能源變得越來越重要，支持和賦能可再生能源可持續(xù)發(fā)展是大勢所趨。可再生能源最基本的原則之一就是盡可能降低能源損失。太陽能發(fā)電系統(tǒng)是將能量從太陽能轉換成電網中使用的交流電，從而利用可再生能源發(fā)電?；诟咝Ш统杀拘б娌⒊浞掷每稍偕茉吹淖非螅M可能降低能源損失，需要進行高壓配電，因此必須進行隔離。而電網基礎設施、機器人和電機控制等高壓工業(yè)電源對隔離技術也有著新的要求：
一是針對可能損壞設備或傷害人身安全的高壓浪涌提供保護；
二是互連時如涉及較大的接地電位差 (GPD)，則可省去接地環(huán)路；
三是安全地與電機驅動系統(tǒng)中的高側組件通信；
四是在共模瞬態(tài)事件期間保持數據完整性。
德州儀器(TI)電源開關、接口和照明部門副總裁兼總經理Troy Coleman表示，TI深耕隔離領域近25年，特別是為高壓系統(tǒng)開發(fā)隔離制造技術和集成電路。從推出業(yè)內先進的SiO2電容隔離器，到發(fā)布和認證多千伏級產品，再到幾百萬小時的可靠性測試和投資開發(fā)300mm制造領域的隔離技術，TI不斷加快創(chuàng)新并擴展產品系列，提供在業(yè)內具有超高可靠性的全新隔離產品，同時降低系統(tǒng)成本和布板空間，解決客戶較為復雜的設計挑戰(zhàn)。
TI在隔離領域的創(chuàng)新（圖源：TI公司）
業(yè)內先進的三類隔離器件
針對機械繼電器具有易磨損、溫度依賴性、體積大且價格不菲等缺點，TI認為可以通過半導體解決方案來取代機械繼電器，Troy Coleman表示，這也是助力推動電源發(fā)展趨勢和安全可靠地生產更多電動汽車的技術之一。
對此，TI近期推出了三類全新的隔離產品：一類是固態(tài)繼電器，包括TPSI3050-Q1 和 TPSI2140-Q1兩個產品；一類是隔離式比較器 AMC23C12；一類是隔離式偏置電源，包括 UCC12050 和 UCC14240-Q1。
·TPSI3050-Q1 和 TPSI2140-Q1
電容式和電感式隔離固態(tài)繼電器 (SSR) 具有性能和成本優(yōu)勢，并且適合不同級別的隔離（無論是基礎型還是增強型）。
TI 推出新型固態(tài)繼電器（圖源：TI公司）
5月10日，TI推出了完全集成電源和信號隔離功能的固態(tài)繼電器TPSI3050-Q1 和 TPSI2140-Q1，有助于在工業(yè)和汽車系統(tǒng)中實現多千伏級隔離。產品可提供業(yè)內出色的可靠性，幫助提高電動汽車 (EV) 的安全性；同時還支持超小尺寸的解決方案，降低動力總成和 800V 電池管理系統(tǒng)的物料清單 (BOM) 成本。
與EMR相比，TI的TPSI2140-Q1隔離式開關和TPSI3050-Q1隔離式驅動器具有更高的可靠性和更長的使用壽命，因為它們不會隨著時間的推移而出現機械性能變差的情況。因此，SSR的壽命可靠性是傳統(tǒng)EMR的10倍。TI的SSR還可以在幾微秒內進行切換，比EMR快幾個數量級（通常需要數毫秒）。
由于TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1通過單個隔離柵集成了電源和信號傳輸，因此無需二次偏置電源，從而可以實現減小解決方案尺寸。
與傳統(tǒng)光繼電器和光耦合器相比，TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等SSR也具有優(yōu)勢。TPSI2140-Q1和TPSI3050-Q1等TI器件的可靠性優(yōu)于光繼電器，因為不存在LED老化情況。無需外部控制電路，因為邏輯電平輸入可以直接驅動系統(tǒng)。
表 1：現有開關解決方案的比較情況
“TI在隔離技術領域深耕多年，通過在隔離技術中集成更多功能，能夠實現固態(tài)繼電器解決方案，幫助客戶降低復雜性，并保持電動汽車等隔離環(huán)境所需的安全性，甚至更輕松地過渡到 800V 技術?！盩roy Coleman進一步表示，“這些新器件不僅將電源和信號傳輸集成到了單一芯片，還提供額外的功能和靈活性，使設計人員能從設計中至少省去三個元件。與現今市場中的機電繼電器和固態(tài)光繼電器解決方案相比，TI的解決方案尺寸和 BOM 成本可減少達 50%?！?/p>
該產品系列面向電動汽車領域，TI接下來還將提供適用于工業(yè)特定系統(tǒng)的解決方案。目前TI已在 其官網上發(fā)布了預量產樣片。同時也公布了兩種器件的大量資源，包括配套的EVM評估板，以及很多實用信息、技術文章和文檔。
· AMC23C12
針對大功率工業(yè)系統(tǒng)（例如電機驅動器和光伏逆變器，以及電動汽車充電器、牽引逆變器、車載充電器和直流/直流轉換器等汽車系統(tǒng)）的快速故障檢測需求，TI 推出了全新的增強型隔離式比較器 AMC23C12。它是業(yè)內超小型的解決方案，可實現隔離式雙向過流、過壓和過熱檢測，有助于快速檢測各種故障事件，幫助設計人員開發(fā)具有更高容錯能力的高壓系統(tǒng)。該器件還結合了標準比較器功能與穩(wěn)健的電隔離柵，可縮小整個系統(tǒng)尺寸并降低成本。
AMC23C12 的突出優(yōu)勢在于：
（1）集成了一個寬輸入范圍低壓降穩(wěn)壓器、一個窗口比較器和一個精密電壓基準，所有功能集成在增強型隔離式 8 引腳 SLIC 封裝內，與分立式方案相比，將解決方案尺寸縮小50%。
（2）在最惡劣情況下跳變閾值精度低于3%，有助于工程師減少設計裕度，支持更小尺寸的無源器件。
（3）小于 400ns 的響應時間，提供超快過流和過壓檢測，從而更好地保護系統(tǒng)。
（4）通過單個外部電阻器實現可調跳變閾值，可促進不同設計重復使用。
該器件也處于預量產階段，并已在 TI官網上開放訂購。TI同時提供軟件設計資源、評估模塊、技術文章和數據表等內容，為設計人員提供參考。
·UCC12050 和 UCC14240-Q1
隨著工業(yè)系統(tǒng)對隔離技術的要求越來越高，除了隔離，還需要提供高功率密度和低EMI，從而提高產品的效率并簡化合規(guī)性。對于電源設計人員而言，在越來越小的空間內提供更多功率的需求仍是主要的電源趨勢，隨著汽車和各種不同應用具有越來越多的功能，這一需求也對 EMI 帶來了挑戰(zhàn)。
針對設計人員面臨的隔離和 EMI 的雙重挑戰(zhàn)，TI開發(fā)出了突破性的集成變壓器技術，僅指尖大小的UCC12050 和 UCC14240-Q1隔離式偏置電源，能在 IC 尺寸的封裝中實現隔離式功率傳輸。
TI 集成變壓器技術（圖源：TI公司）
UCC12050 是 TI于2020 年推出的器件，利用集成變壓器技術，讓客戶能夠將其解決方案尺寸縮小 80% 以上。此外，UCC12050 的效率為 50%，功率密度是同類隔離電源模塊的兩倍。它采用新型架構，功率約 0.5W，并且可靠性更高、BOM 更小，并簡化了電路板布局布線。
UCC14240-Q1 是TI在2021年新推出的器件，是該產品系列中的最新器件，同樣利用了TI的專有集成變壓器技術。此外，UCC14240-Q1 是業(yè)內尺寸超小、精度超高的 1.5W 隔離式直流/直流偏置電源模塊。利用這款器件，系統(tǒng)設計工程師可以將性能、集成和功率密度提高到新水平，它簡單、易于使用，可加快上市速度。
TI提供了帶有集成變壓器的汽車類 SPI 可編程柵極驅動器和偏置電源參考設計，可為牽引逆變器中大功率碳化硅開關提供隔離式偏置和隔離式驅動提供經過測試的設計；可簡化駕駛員高級保護的功能安全認證；支持在 800V 動力總成中使用高隔離 3kV RMS；提供單個 IC 上的 +15V/-5V 完全隔離轉換。
不難看出，TI正在以多種方式支持汽車平臺向800V過渡。電源管理設計挑戰(zhàn)繞不過低EMI、功率密度、低靜態(tài)電流、低噪聲和隔離，800V系統(tǒng)亦是如此。TI在固態(tài)繼電器方面，將隔離集成到更小體積的封裝，實現更高的功率密度，并進一步降低靜態(tài)電流，以節(jié)省電池壽命；集成隔離的DC/DC轉換器方面，通過減少重量、尺寸和提高800V電動汽車的效率以提高功率密度。
針對TI如何突破小尺寸封裝挑戰(zhàn)，Troy Coleman表示：“最大的挑戰(zhàn)是將電源、信號、柵極驅動、場效應管等如此多的功能集成到單個封裝中，與此同時，還必須保證高電壓的爬電距離和隔離等級。TI通過可靠的測試方法，以及在硅與封裝領域的創(chuàng)新解決方案可以解決這些問題?！?/p>
